Современные технологии изготовления микродисплеев

Микродисплеями, в современном понимании этого слова, принято называть миниатюрные модули с диагональю от 0,5см до 4,5 см, которые служат для отображения фото или видео изображения и могут содержать от нескольких десятков или сотен тысяч до нескольких миллионов элементов, именуемых пикселями. По своей сути микродисплей – это «маленький телевизор», способный передавать полноценную растровую картинку либо в цветном, либо в монохромном режиме. Микродисплеи имеют достаточно широкий спектр применения, начиная от видоискателей камер различного диапазона и кончая очками виртуальной или дополненной реальности, а также прицелами и системами наведения на цель военного предназначения. Как правило, изображения на микродисплеях наблюдаются через специальную окулярную систему, т.к. отображаемые ими детали настолько мелки, что их сложно рассмотреть невооружённым глазом.

Классификация микродисплеев

• Помимо того, что микродисплеи делятся на монохромные и цветные, их также согласно характеристикам можно разделить на следующие группы: по способу распределения изображения по пикселям микродисплеи подразделяются на активно-матричные и пассивно-матричные. В пассивных микродисплеях применяется мультиплексная обработка матрицы (видеосигнал поступает на все пиксели единовременно в импульсном режиме), а в активных матрицах идёт независимая адресация сигнала на каждый пиксель в отдельности. За счёт этого в активных матрицах осуществляется более детальная передача оттенков изображения, но они имеют и более громоздкое строение, что не всегда подходит для конкретного применения.

• По принципу действия микродисплеи делятся на дисплеи просветного типа (изображение в них формируется за счет модуляции проходящего через них света в соответствии с управляющими электрическими сигналами), на дисплеи отражательного типа (изображение в них формируется за счет модуляции отраженного от дисплея светового потока) и на дисплеи светоизлучающего типа (в них происходит непосредственная генерация видимого глазом изображения). Большинство существующих на данный момент микродисплеев относятся к отражательному типу.

Даже с учётом того обстоятельства, что сейчас на рынке доступны мегапиксельные и даже двухмегапиксельные матрицы, по прежнему большим спросом пользуются монохромные (в основном монозелёные) микродисплеи QVGA, VGA и SVGA, поскольку их формат соответствует основным типам неохлаждаемых тепловизионных детекторов, устанавливаемых в приборы ночного видения.

• Согласно способу применения микродисплеи могут относится к окулярным дисплеям, изображение на которых можно наблюдать через окулярную систему, на одном конце которой находится микродисплей, а на другом - фокусирующая линза (это в основном наблюдательные приборы), а также к проекционным дисплеям, где изображение проецируется на какую-то поверхность (пико-проекторы и очки дополненной реальности).
• Ещё одним методом классификации микродисплеев является их классификация по технологиям изготовления, которые стоит рассмотреть более подробно.

LCOS микродисплеи

Технология LCOS (Liquid Crystal on Silicon - жидкий кристалл на кремнии) является модификацией широко распространённой жидкокристаллической технологии, которая уже давно используется для изготовления дисплеев различного вида. 

LCOS микродисплеи на данный момент являются наиболее востребованным и доступным видом микродисплеев. Как правило именно их встраивают в видоискатели обычных видео и фотокамер. Данный вид микродисплеев может быть как сформированным на подложке из поликристаллического кремния, так и однокристальным, сделанным по КМОП-технологии, известной как SOI (Silicon on Insulator). Слой жидкокристаллического материала находится между плоскостями базовой подложки и верхней стеклянной пластиной с прозрачной пленкой противоэлектрода. LCOS микродисплеи работают в режиме отражения. Кроме того, они делятся на нематические (NLC) и ферроэлектрические (FLC), первые функционируют в аналоговом режиме, а вторые в цифровом.  Слабым местом LCOS микродисплеев является недостаточная глубина цвета и плохая климатика, что ограничивает их применение в устройствах специального назначения.

MEMS микродисплеи

Микродисплейные элементы, выполненные по технологии MEMS (Micro Electro Mechanical System - микроэлектромеханические системы), представляют собой массивы модуляторов света, которые могут работать как на просвет, так и на отражение. Массивы модуляторов могут быть как двумерными (матричная структура), так и одномерными (линейка модуляторов). На сегодняшний день существует три основных конструкции MEMS микродисплеев:

В основе DMD и TMA микродисплеев лежит микрозеркальная модуляция падающего светового потока, а в микродисплеях изготовленных по технологии iMOD применяется интерференционный модулятор. Особняком стоят просветные микродисплеи iMODS, принцип действия которых основан на конструкции «шторка-затвор». MEMS микродисплеи часто устанавливаются в пико-проекторах. Их основным преимуществом является устойчивость к перепадам температуры и воздействию радиации, что подходит для космического применения, однако разрешение самых лучших MEMS микродисплеев ограничено форматом 1280 × 768 пикселей, что связано с технической невозможностью дальнейшего уменьшения на микроуровне ячеек модуляции.

OLED микродисплеи

С появлением органических кристаллов стало возможным изготовление микродисплеев по технологии OLED (Organic Light Emitting Device – органический светоизлучающий элемент). Такие микродисплеи имеют достаточно сложную многослойную структуру.

Существуют две технологии для производства органических светодиодов. Основное их различие заключается в типе используемого органического материала. В одной из них применяется материал с короткими молекулами (OLED), а в другой – полимерные (длинные) молекулы (Polymer LED, PLED). Наибольшее распространение получила технология OLED и её разновидность – АМOLED (микродисплеи с активной матрицей). OLED и АМOLED микродисплеи превосходят LCOS микродисплеи по яркости, глубине цвета, детализации изображения, а также имеют расширенный диапазон рабочих температур (до -40°С против -20°С у жидкокристаллических микродисплеев). Кроме того, OLED матрицы могут применяться на гибких носителях. Главным же недостатком органики, помимо технологической сложности и высокой себестоимости производства, является ограниченный срок службы, что обусловлено явлением т.н. «выгорания» органических светодиодных матриц. Однако, благодаря хорошим эксплуатационным качествам в сложных климатических условиях, OLED и АМOLED микродисплеи широко применяются в наблюдательной технике военного и специального предназначения (тепловизионные прицелы, приборы ночного видения и т.п.).    

microLED микродисплеи

Наиболее современной и прорывной технологией в области изготовления микродисплеев считается технология microLED, где главным материалом для составления светодиодной матрицы служат микроскопические кристаллы кремния. Структура такой матрицы намного проще и в перспективе дешевле чем у OLED микродисплеев.  

При этом microLED дисплеи не подвержены выгоранию, имея все те же эксплуатационные преимущества, что и OLED. Также microLED микродисплеи отличаются более низким энергопотреблением и потенциально более высокой частотой обновления, но главным преимуществом технологии microLED является супер высокая яркость матрицы (до 5000 кд/кв.м против 1000 кд/кв.м – максимальная яркость OLED). Это делает microLED микродисплеи практически незаменимыми для проекционных систем. Многие аналитики рынка микродисплеев предсказывают, что технология microLED в обозримом будущем должна стать доминирующей.

QD микродисплеи

Принцип работы микродисплеев QD (Quantum Dot – квантовые точки) основан на использовании полупроводниковых нанокристаллов, что открывает возможности для дальнейшей миниатюризации при сохранении высокого разрешения матрицы. Фотоэмиссионный QD микродисплей использует фотолюминесцентные квантовые точки, каждая из которых излучает свет определённого оттенка в зависимости от своего размера:

В настоящее время технология изготовления самоизлучающих микродисплеев на квантовых точках является перспективной разработкой и серийно такие изделия не производятся, однако существуют гибридные технологии с использованием эффекта QD. Например, технология QLED, в которой слой квантовых точек добавляется к матрице, составленной из кристаллов miniLED.

Такое соединение двух технологий позволяет уменьшить толщину матрицы за счёт удаления светофильтров и одновременно улучшить параметры отображения видеосигнала, но по цветопередаче и степени детализации изображения QLED дисплеи всё-таки уступают OLED, поэтому сейчас также ведётся работа по созданию QD-OLED микродисплеев, которые должны будут иметь совершенный угол обзора, высокий уровень контраста, большую глубину цвета, а также высокую чёткость и яркость передачи изображения.